Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel (2)

Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bìnhđược trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp (<1700K), hydrocarbure thơm có thểsinh ra bồ hóng một cách trực tiếp và nhanh chóng biến thành cấu trúc gần graphite. Khinhiệt độ cao hơn 1800K, một cơ chế hình thành bồ hóng khác diễn ra chậm hơn và ít trựctiếp hơn, trước hết qua trung gian những thành phần HC có khối lượng phân tử nhỏ và sauđó bị polymer hóa thành những phần tử kém bão hòa có khối lượng......
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel (2) Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel Cơ chế tổng quát về sự tạo thành hạt nhân bồ hóng ở nhiệt độ thấp và trung bìnhđược trình bày trên hình 5.17a,b. Ở nhiệt độ thấp ( Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Dieselsâu vào bên trong để oxy hóa và phân hủy hạt bồ hóng. Theo những kết quả gần đây, trongđiều kiện áp suất môi trường và hỗn hợp giàu thì sự oxy hóa bồ hóng bởi gốc OHquan trọng hơn so với sự oxy hóa của O hay O 2 . Như vậy, rõ ràng hạt bồ hóng hình thành là sản phẩm của các quá trình: tạo hạt cơsở, hình thành hạt bồ hóng, phát triển và oxy hóa hạt bồ hóng. Tốc độ tạo bồ hóngtrong quá trình cháy là hiệu số giữa tốc độ sản sinh và tốc độ oxy hóa bồ hóng. Cơ chếhình thành bồ hóng phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ nhiên liệu, oxygène và nhiệt độ quátrình cháy. 5.6. Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng trong động cơ Diesel 5.6.1. Giới thiệu Động học phản ứng hình thành bồ hóng khác với động học phản ứng hình thành cácchất khác trong sản phẩm cháy. Giả thuyết động học phản ứng nhanh không thể áp dụngtrong tính toán nồng độ bồ hóng. Trong quá trình cháy khuếch tán, sự phân bố nhiên liệukhông đồng đều và chính vùng tập trung nhiên liệu ở biên giới của các mặt tiếp giáp là khuvực sản sinh bồ hóng. Tốc độ sản sinh bồ hóng phụ thuộc nồng độ nhiên liệu còn tốc độcháy bồ hóng phụ thuộc nồng độ oxygène. Nồng độ bồ hóng tại một điểm trong ngọn lửa được xác định bởi sự tương tác củahai hiện tượng lí hóa: đối lưu-khuếch tán, khống chế sự dịch chuyển của các phần tử trongdòng chảy và sản sinh-tiêu tán, khống chế sự sinh ra hay mất đi của các phần tử trong quátrình cháy. Nồng độ bồ hóng được xác định theo định luật bảo toàn phần tử trong dòngchảy: d ( m. < Yi > ) & = mi + Yi,o . mo & & (5.1) dx Trong trường hợp môi trường bên ngoài không chứa bồ hóng, Yio = 0. Do vậy ta có: d ( m. < Yi >) & = m i & (5.2) dx Trong đó tốc độ sản sinh trung bình của phần tử i được tính trên một đơn vị thể tíchvà thời gian được xác định theo biểu thức: mi = R i .π . R 2 & max (5.3) Mô hình hóa quá trình tạo bồ hóng chủ yếu là tìm mối quan hệ giữa tốc độ tạo bồ .hóng mi với các thông số khác của dòng chảy rối để khép kín hệ phương trình. Theohướng này, hiện nay tồn tại nhiều mô hình tạo bồ hóng. Sau đây là một số mô hình tiêubiểu. 71 Chương 5: Cơ chế hình thành bồ hóng trong quá trình cháy của động cơ Diesel 5.6.2 Mô hình hóa sự sản sinh bồ hóng Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự hình thành bồ hóng được tiến hànhqua trung gian của những hydrocarbure thơm đa nhân (HAP) và sự phát triển của hạt bồhóng là do phản ứng giữa những phân tử hydrocarbure thơm và acétylène. Mô hình độnghóa học HAP mô tả sự hình thành bồ hóng theo cơ chế này do Frenklach thiết lập bao gồmkhoảng 1000 phản ứng thuận nghịch được khởi động bởi 18 phản ứng chính ban đầu.Nghiệm số hoàn chỉnh của mô hình này vì vậy rất phức tạp. Theo Tesner-Magnussen, bồ hóng được hình thành trong quá trình cháy củahydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là việc hình thành các nhân cơ sở,và giai đoạn sau là việc hình thành bồ hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơsở được tính theo biểu thức: R n, f = n o + ( f b − g)n − g o nN (hạt/m3/s) (5.4)trong đó: no : Tốc độ sản sinh hạt cơ sở ban đầu: ⎛ E ⎞ n o = a o c f exp⎜ − ⎟ (hạt/m3/s) (5.5) ⎝ RT ⎠ ao : Hằng số cf : Nồng độ nhiên liệu (kg/m3). E : Năng lượng kích hoạt R : Hằng số khí vạn năng T : Nhiệt độ tuyệt đối của khí fb : Hệ số tăng nhánh tuyến tính g : Hệ số đứt nhánh tuyến tính go : Hệ số đứt nhánh của hạt bồ hóng n : Nồng độ hạt cơ sở (hạt/m3) N : Nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m3) Tốc độ sản sinh bồ hóng được viết như sau: R s, f = m p ( a − bN ) n ( kg / m 3 / s) (5.6)Với mp ...